JP2018186272A - 高圧端子の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧端子を効率よく冷却できる冷却構造を提供する。【解決手段】冷却構造１０は、第１端部３ａおよび第２端部３ｂを有する少なくとも１つのヒートパイプ３と、第１端部３ａおよび高圧端子Ｈの両者に接するベーパーチャンバー２０と、第２端部３ｂに接する放熱機構と、を備える。放熱機構は、冷却液の流入口２ａおよび流出口２ｂを有するコールドプレート２、または並列された複数のフィンを有するヒートシンクである。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧端子の冷却構造に関する。

下記特許文献１は、電気自動車およびハイブリッド自動車などの電動車両に用いられる給電コネクタを開示している。この給電コネクタは、二次電池などの給電対象物と、外部の電源と、を電気的に接続するために用いられている。

特開２０１３−１８７２８２号公報

この種の給電コネクタには、給電対象物を急速に充電するために、その端子（以下、高圧端子という）に大きな電流が流される場合がある。大電流を流すと高圧端子が発熱して高温となる。給電コネクタを冷却する構成として、特許文献１では通風装置を用いた冷却構造が開示されている。しかしながら、高圧端子をより効率よく冷却するための冷却構造が求められている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、給電コネクタ（本発明における高圧端子）を効率よく冷却できる冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る高圧端子の冷却構造は、高圧端子と、第１端部および第２端部を有する少なくとも１つのヒートパイプと、前記高圧端子および前記第１端部の両者に接する伝熱機構と、前記第２端部に接する放熱機構と、を備え、前記放熱機構は、冷却液の流入口および流出口を有するコールドプレート、または並列された複数のフィンを有するヒートシンクである。

上記態様に係る高圧端子の冷却構造によれば、高圧端子から放熱機構へと、伝熱機構およびヒートパイプを介して熱を効率よく輸送することができる。これにより、高圧端子を効率よく冷却することができる。

また、前記伝熱機構は、前記高圧端子と前記第１ヒートパイプとを電気的に絶縁する絶縁体を有していてもよい。

この場合、高圧端子と第１ヒートパイプとを電気的に絶縁して、例えば高圧端子に流れる電流が第１ヒートパイプを介して漏電してしまうのを抑えることができる。

また、前記伝熱機構はベーパーチャンバーであり、前記ベーパーチャンバーは、導電性を有するコンテナを有し、前記絶縁体が、前記コンテナと前記第１ヒートパイプとの間および前記コンテナと前記高圧端子との間に挟まれていてもよい。

この場合、金属などでコンテナを形成したとしても、高圧端子に流れる電流がコンテナ若しくは第１ヒートパイプを介して漏電してしまうのを抑えることができる。

また、前記第１ヒートパイプの作動流体は、非導電性液体であってもよい。
また、前記伝熱機構は、作動流体として非導電性液体を用いるベーパーチャンバーまたは第２ヒートパイプであってもよい。

これらの場合、仮に作動流体が第１ヒートパイプ若しくは伝熱機構から漏れ、作動流体で高圧端子が濡れたとしても、高圧端子に通電される電流が漏電してしまうのを抑えることができる。

本発明の上記態様によれば、高圧端子を効率よく冷却できる冷却構造を提供することができる。

第１実施形態の高圧端子の冷却構造の概略図である。 図１の高圧端子の冷却構造のＩＩ−ＩＩ断面矢視図である。 図１の高圧端子の冷却構造のＩＩＩ−ＩＩＩ断面矢視図である。 第１実施形態の変形例に係る高圧端子の冷却構造の断面図である。 第１実施形態の他の変形例に係る高圧端子の冷却構造の断面図である。 第２実施形態に係る高圧端子の冷却構造の概略図である。

（第１実施形態）
以下、本実施形態に係る高圧端子の冷却構造（以下、単に冷却構造１０という）の構成を、図１〜図３を参照しながら説明する。図１に示す冷却構造１０は、高圧端子Ｈを冷却するためのシステムである。高圧端子Ｈは、例えば車両用の高圧電気機器と外部電源とを接続するためのインターフェースである。このようなインターフェースには大電流が流れるため、高温となる。なお、冷却構造１０は、上記のようなインターフェース以外の車両用の高圧電気機器に用いられてもよい。

図１に示すように、冷却構造１０は、コールドプレート（放熱機構）２と、少なくとも１つのヒートパイプ（第１ヒートパイプ）３と、固定部材４と、ベーパーチャンバー（伝熱機構）２０と、を備えている。ヒートパイプ３は、第１端部３ａおよび第２端部３ｂを有している。本実施形態では、ヒートパイプ３の数は１つだが、複数のヒートパイプを用いてもよい。

図１の例では、高圧端子Ｈは、インレット孔Ｐ１、第１アウトレット孔Ｐ２、および第２アウトレット孔Ｐ３を有している。インレット孔Ｐ１には、不図示の電気ケーブルのピンなどが挿入される。各アウトレット孔Ｐ２、Ｐ３には、電気機器などに電気的に接続されたコネクタピン（不図示）が挿入される。インレット孔Ｐ１および各アウトレット孔Ｐ２、Ｐ３は電気的に接続されており、これらの通電部には大きな電流が流されて高温となる。

コールドプレート２は、高圧端子Ｈから離れて配置されている。コールドプレート２は、略矩形の板状に形成されている。コールドプレート２は、冷却液の流入口２ａと、冷却液の流出口２ｂと、冷却液の流路２ｃと、を有している。コールドプレート２は、主としてアルミニウムや銅などの金属により形成される。そのコールドプレート２の内部に流路２ｃが設けられている。流入口２ａと流出口２ｂとは、流路２ｃによって互いに接続されている。なお、図１では流路２ｃが直線状に形成されているが、コールドプレート２から冷却液へと熱を効率よく伝えるために、流路２ｃが蛇行していてもよい。

冷却液は、不図示のポンプなどによって流入口２ａからコールドプレート２内に流入し、流路２ｃを通過して、流出口２ｂから流出する。冷却液が流路２ｃを通過する間に、ヒートパイプ３から受け取る熱によって、冷却液は昇温する。

ヒートパイプ３の第２端部３ｂは、コールドプレート２の上面または下面に接している。ヒートパイプ３の第１端部３ａは、ベーパーチャンバー２０に接している。ヒートパイプ３としては、例えば銅管内にウィックおよび作動流体が封入されたものを用いることができる。作動流体は、漏電などを防止するために、非導電性液体であることが好ましい。導電性液体を用いる場合は、ベーパーチャンバー２０および／またはヒートパイプ３の絶縁ために絶縁体を配置してもよい。非導電性液体としては、ハイドロフルオロエーテル（例えば３Ｍ社製のＮＯＶＥＣ（登録商標）７１００またはそれと同等な製品）などを用いることができる。ヒートパイプ３のうち、コールドプレート２に接する第２端部３ｂは作動流体の凝縮部として機能する。ヒートパイプ３のうち、ベーパーチャンバー２０に接する第１端部３ａは作動流体の蒸発部として機能する。

ヒートパイプ３の蒸発部では、ベーパーチャンバー２０を介して高圧端子Ｈから熱を受け取った作動流体が蒸発する。蒸発した作動流体は、ヒートパイプ３の凝縮部へと向かい、ヒートパイプ３の凝縮部でコールドプレート２によって冷やされて凝縮する。凝縮した作動流体は、ウィックの細孔が発生させる毛管力によって、再び蒸発部へと向かう。以上の作用により、ヒートパイプ３は、高圧端子Ｈからコールドプレート２へと、熱を継続して輸送することができる。

ヒートパイプ３のうち、コールドプレート２に接する部分は、固定部材４によってコールドプレート２に固定されている。図１および図２に示すように、固定部材４は、ヒートパイプ３に接する天板４ａと、天板４ａからコールドプレート２に向けて延びる脚部４ｂと、を有している。固定部材４は、金属板を曲げ加工することによって形成することができる。脚部４ｂに設けられた貫通孔にネジが挿通し、このネジがコールドプレート２のネジ孔に締結されることで、固定部材４はコールドプレート２に固定されている。固定部材４によって、ヒートパイプ３をコールドプレート２に確実に接触させて、ヒートパイプ３からコールドプレート２へと熱を効率よく伝達することができる。

図３に示すように、本実施形態のベーパーチャンバー２０は、ウィック２１と、コンテナ２２と、絶縁体２３と、を有している。コンテナ２２内には、ウィック２１および作動流体が封入されている。コンテナ２２内に封入される作動流体は、漏電などを防止するために、非導電性液体であることが好ましい。非導電性液体としては、先述のハイドロフルオロエーテルなどを用いることができる。コンテナ２２と絶縁体２３とは、非導電性（または絶縁）材料で形成され、一体のコンテナとなっていてもよい。ベーパーチャンバー２０は、高圧端子Ｈおよびヒートパイプ３（第１端部３ａ）の両者に接している。ベーパーチャンバー２０のうち、高圧端子Ｈの近傍に位置する部分は作動流体の蒸発部として機能し、ヒートパイプ３（第１端部３ａ）の近傍に位置する部分は作動流体の凝縮部として機能する。

ウィック２１の材質としては、束ねられた金属極細線ファイバー、金属メッシュ、金属粉末の多孔質の焼結体などが挙げられる。ウィック２１は、セラミックなどの絶縁体により形成されていてもよい。コンテナ２２内の液相の作動流体は、毛細管現象によりウィック２１を伝って移動可能である。ウィック２１は、焼結により、コンテナ２２の内面に固定される。ベーパーチャンバー２０の蒸発部では、高圧端子Ｈから熱を受け取った作動流体が蒸発する。蒸発した作動流体は、ベーパーチャンバー２０の凝縮部へと向かい、ヒートパイプ３によって冷やされて凝縮する。凝縮した作動流体は、毛細管現象によってウィック２１を伝って蒸発部へと戻る。このように、ベーパーチャンバー２０は、高圧端子Ｈからヒートパイプ３へと、熱を継続して輸送することができる。

コンテナ２２としては、銅製のパイプや容器などを用いることができる。例えばコンテナ２２を圧縮して変形させることで、ウィック２１をコンテナ２２の内面に固定してもよい。
絶縁体２３は、コンテナ２２とヒートパイプ３（第１端部３ａ）との間、およびコンテナ２２と高圧端子Ｈとの間に挟まれている。本実施形態では、絶縁体２３が、コンテナ２２の外面にコーティングされており、この絶縁体２３がヒートパイプ３および高圧端子Ｈに接している。これにより、ヒートパイプ３（第１端部３ａ）と高圧端子Ｈとを電気的に絶縁し、高圧端子Ｈに通電される電流が漏電してしまうのを抑えることができる。絶縁体２３の材質としては、セラミックなどを用いることができる。セラミックは、高温での絶縁性に優れ、熱膨張係数も小さいことから、高圧端子Ｈの近傍に配置される絶縁体２３の材質として好適である。なお、絶縁体２３を樹脂製の板などによって挟み、絶縁体２３を衝撃荷重から保護してもよい。

以上説明したように、本実施形態の冷却構造１０によれば、高圧端子Ｈに接するベーパーチャンバー２０と、冷却液の流入口２ａおよび流出口２ｂを有するコールドプレート２と、ベーパーチャンバー２０およびコールドプレート２に接する少なくとも１つのヒートパイプ３と、を備えている。この構成により、高圧端子Ｈの熱をコールドプレート２へと効率よく輸送し、高圧端子Ｈを効果的に冷却することができる。
また、ベーパーチャンバー２０は、高圧端子Ｈとヒートパイプ３とを電気的に絶縁する絶縁体２３を有している。この構成により、高圧端子Ｈとヒートパイプ３とを電気的に絶縁して、高圧端子Ｈに流れる電流がヒートパイプ３を介して漏電してしまうのを抑えることができる。

また、コンテナ２２とヒートパイプ３との間およびコンテナ２２と高圧端子Ｈとの間に、絶縁体２３が配置されている。これにより、コンテナ２２が金属などの導電性を有する材質によって形成されていたとしても、高圧端子Ｈに通電される電流がコンテナ２２若しくはヒートパイプ３を介して漏電してしまうのを抑えることができる。
さらに、ベーパーチャンバー２０およびヒートパイプ３の作動流体として非導電性液体を用いている。これにより、仮に作動流体がベーパーチャンバー２０若しくはヒートパイプ３から漏れ、作動流体で高圧端子Ｈが濡れたとしても高圧端子Ｈに通電される電流が漏電してしまうのを抑えることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、固定部材４によってヒートパイプ３をコールドプレート２に機械的に固定したが、固定の方法はこれに限定されない。例えば、はんだ付け、ロウ付け、溶接などによって、ヒートパイプ３をコールドプレート２に固定してもよい。

また、ベーパーチャンバー２０の構成は図３の例に限られず、適宜変更することができる。例えば、図４に示すように、セラミックなどの絶縁体によって形成された絶縁コンテナ２４の内部に、作動流体およびウィック２１を封入してもよい。絶縁コンテナ２４の材質としては、図３における絶縁体２３と同様に、セラミックなどを用いることができる。

あるいは、図５に示すように、伝熱機構の構成をベーパーチャンバー２０から変更してもよい。図５に示す伝熱機構は、２つのヒートパイプ（第２ヒートパイプ）２７と、２枚の金属板２５と、２枚の絶縁板（絶縁体）２６と、を備えている。２つのヒートパイプ２７は、２枚の金属板２５によって挟まれている。また、２枚の金属板２５は、２枚の絶縁板２６によって挟まれている。絶縁板２６によって、金属板２５とヒートパイプ３とが絶縁されている。ヒートパイプ２７としては、ヒートパイプ３と同様の構成を用いることができる。ヒートパイプ２７の作動流体として、特に限定はされないが、非導電性液体を用いることが好ましい。

図５の構成では、ヒートパイプ２７が高圧端子Ｈからヒートパイプ３へと熱を伝える。さらに、絶縁板２６によって、高圧端子Ｈとヒートパイプ３とが絶縁されている。この構成により、高圧端子Ｈからヒートパイプ３への漏電を防止することができる。

また、コールドプレート２の構成を適宜変更してもよい。例えば、コールドプレートが、ベースプレートと、カバーと、を備え、カバーとベースプレートとの間に画成された内部空間に並列された複数のフィンが設けられていてもよい。この場合、冷却液の流入口および流出口をカバーとベースプレートとの間の内部空間に連通させることで、内部空間（特にフィン同士の間）が冷却液の流路として機能する。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の冷却構造１０では、図６に示すように、放熱機構としてヒートシンク５を用いている。

ヒートシンク（放熱機構）５は、並列された複数のフィン５ａを有しており、フィン５ａから熱を放出するように構成されている。ヒートシンク５は、ヒートパイプ３の第２端部３ｂに接している。この場合も、第１実施形態と同様に、第２端部３ｂが作動流体の凝縮部として機能する。そして、高圧端子Ｈからヒートシンク５へとヒートパイプ３を介して熱が輸送され、高圧端子Ｈを効率よく冷却することができる。また、コールドプレート２と比較して、この構成では液体の冷却液を循環させるポンプなどが不要であるため、冷却構造１０を簡略化することができる。また、第二実施形態では、ヒートシンク５の熱放出方法に応じて、フィン５ａを通過する空気を循環させるための冷却ファンを用いてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。
例えば、第２実施形態の冷却構造１０（図６）において、図３〜図５に示す構成を用いてもよい。

２…コールドプレート（放熱機構） ２ａ…流入口 ２ｂ…流出口 ３…ヒートパイプ ３ａ…第１端部 ３ｂ…第２端部 ５…ヒートシンク（放熱機構） ５ａ…フィン ２０…ベーパーチャンバー（伝熱機構） ２３…絶縁体 ２４…絶縁コンテナ ２７…第２ヒートパイプ Ｈ…高圧端子

Claims (5)

1. 高圧端子と、
   第１端部および第２端部を有する少なくとも１つの第１ヒートパイプと、
   前記高圧端子および前記第１端部の両者に接する伝熱機構と、
   前記第２端部に接する放熱機構と、を備え、
   前記放熱機構は、
   冷却液の流入口および流出口を有するコールドプレート、または並列された複数のフィンを有するヒートシンクである、高圧端子の冷却構造。
2. 前記伝熱機構は、前記高圧端子と前記第１ヒートパイプとを電気的に絶縁する絶縁体を有している、請求項１に記載の高圧端子の冷却構造。
3. 前記伝熱機構はベーパーチャンバーであり、
   前記ベーパーチャンバーは、導電性を有するコンテナを有し、
   前記絶縁体が、前記コンテナと前記第１ヒートパイプとの間および前記コンテナと前記高圧端子との間に挟まれている、請求項２に記載の高圧端子の冷却構造。
4. 前記第１ヒートパイプの作動流体は、非導電性液体である、請求項１から３のいずれか１項に記載の高圧端子の冷却構造。
5. 前記伝熱機構は、作動流体として非導電性液体を用いるベーパーチャンバーまたは第２ヒートパイプである、請求項１から４のいずれか１項に記載の高圧端子の冷却構造。

Images